МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 3, с. 207-219
НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ ^^^^^^^^^^^^ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 537.331.33
ПОВЕРХНОСТНЫЙ ФАЗОВЫЙ ПЕРЕХОД НА КРИСТАЛЛАХ КРЕМНИЯ (100) ПРИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОМ СВЧ ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННОМ ОСАЖДЕНИИ © 2015 г. Р. К. Яфаров, В. Я. Шаныгин
Саратовский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской АН
E-mail: pirpc@yandex.ru Поступило в редакцию 24.02.2014 г.
Обнаружено и исследовано с использованием модели адсорбции Лэнгмюра из прекурсорного состояния явление самоорганизации наноразмерных доменов при осаждении субмонослойных углеродных покрытий в СВЧ-плазме паров этанола низкого давления на атомно-чистой поверхности кристаллов кремния (100). Установлены закономерности влияния температуры подложки и электрического смещения на кинетику и механизм доменного структурирования, представляющего собой поверхностный фазовый переход на кремнии (100). Показано, что высокая селективность травления кремния и углерода в некоторых химически активных газовых средах позволяет использовать образующиеся углеродные островки в качестве безли-тогрфических масочных покрытий для получения интегральных наноразмерных столбчатых структур в кристаллах кремния (100) с использованием высокоразрешающего плазмохимического травления.
DOI: 10.7868/S0544126915020088
ВВЕДЕНИЕ
Основными методами, используемыми при создании квантово размерных структур в микро-и наноэлектронике, являются молекулярно-луче-вая эпитаксия и осаждение из газовой фазы. Эти методы основываются на получении планарных ге-тероструктур с относительно высокой разностью параметров решеток материалов пленки и подложки. Последующая релаксация упругих напряжений вблизи свободной поверхности способствует спонтанному образованию поверхностных ЗЭ-нано-структур. Созданные квантово-размерные системы обеспечили существенное повышение функциональных характеристик электронных и оптических приборов, а также сенсоров. Так, в области опто-электроники наноструктуры обеспечивают более низкие пороговые токи, повышают быстродействие и обеспечивают более узкий спектр излучения в лазерах на квантовых точках [1]. К сожалению, достигнутый на сегодня уровень поверхностной плотности самоорганизованных квантовых точек составляет всего 109—1010 см-2; их максимальная объемная плотность также очень мала (1015-1016 см-3). Это не обеспечивает необходимого уровня эффективности приборов, созданных на их основе.
Фактором, способствующим упорядочению ЗЭ-островков при создании квантово размерных систем, как по размерам, так и по их пространственному распределению, является наноморфо-логия поверхности, на которой эти островки формируются [1]. Управление наноморфологией достигается применением литографии, которая позволяет создавать "окна" на подложке, огра-
ничивающих область сбора адатомов в островок и отделяющих островки друг от друга. Однако применение литографических методов высокого разрешения ограничено, в основном, областью экспериментальных исследований. Поэтому внимание исследователей в последнее время все больше привлекают процессы самоорганизации при создании наноразмерных ЗЭ-островковых структур, которые основываются на использовании при конденсации из газовой фазы субмонослойных покрытий поверхностной атомной структуры полупроводниковых кристаллов [2]. Развитие этого направления в технологии создания наносистем, не только открывает новые возможности получения упорядоченных нанообъектов на поверхности и в объеме кристалла без применения литографических методов, но и вносит новое понимание в структурные процессы на поверхности кристаллов.
Целью работы является исследование процессов ЗЭ-структурирования субмонослойных углеродных покрытий на атомно-чистых поверхностях кристаллов кремния (100) для создания пространственных квантово-размерных систем со сверхвысокой плотностью путем использования полученных островковых покрытий в качестве масковых при селективном высокоразрешающем плазмохи-мическом травлении материала матрицы.
1. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Эксперименты, связанные с получением атомно -чистых поверхностей кристаллов кремния (100), осаждением субмонослойных углеродных покры-
тий и высокоанизотропным сухим травлением кремния с использованием полученных покрытий в качестве масковых, проводились в установке с СВЧ ионно-плазменным источником на частоте 2.45 Ггц [3]. Мощность СВЧ-излучения и индукция магнитного поля составляли, соответственно, 250 Вт и 875 Гс. В качестве рабочего газа для получения атомно-чистой поверхности кристаллов кремния использовался аргон, травление пластин монокристаллического кремния с углеродным масковым покрытием осуществлялось в хладоне-14. Давление газов в процессах подготовки поверхности и сухого высокоанизатропного травления кремния было равным 0.1 Па и обеспечивало выполнение условий электронного циклотронного резонанса (ЭЦР), при котором степень ионизации плазмы составляла около 5%. СВЧ-плазменная обработка в аргоне осуществлялась при смещении —100 В в течение 5 мин. При этом высота и поверхностная плотность микровыступов на атомно-чистой поверхности кремния составляли, соответственно, 0.2 нм и 4 х 1013 см-2 [4].
Осаждение углеродных покрытий осуществлялось в СВЧ-плазме в условиях малой адсорбции с использованием в качестве рабочего вещества паров этанола при давлении 0.05 Па. Температуры осаждения изменялась в диапазоне от 100 до 300°C с интервалом 100°C. Потенциал смещения на подложкодержателе в процессах осаждения варьировался в диапазоне от -100 до -300 В.
Наноморфология поверхностей изучалась с помощью сканирующих атомно-силового и электронного микроскопов: Solver-P-47 и Auriga. В качестве зонда для атомно-силового микроскопа использовались кремниевые кантилеверы CSG10 пирамидальной формы с радиусом закругления 10 нм и жесткостью 0.1 Н/м. Поле сканирования составляло 3 х 3 мкм при шаге сканирования 8 нм и шаге ЦАП пьезосканера по оси Уравном 0.24 нм. Схема регистрации отклонения кантилевера обеспечивает разрешение 0.1 нм при шаге АЦП пьезосканера по оси Z равном 0.05 нм. Обработка результатов измерений производилась с использованием программного обеспечения микроскопа.
На рис. 1 приведены кинетические зависимости параметров наноморфологии поверхности кремния (100) после осаждения углерода в СВЧ-плазме паров этанола при различных температурах подложки и напряжениях смещения на подложкодержателе. (Значениям координат при t = 0 с соответствуют плотности и высоты микровыступов на кремниевых пластинах после их предварительной обработки в СВЧ-плазме аргона). Общей характерной особенностью зависимостей является наличие экстремумов высот выступов и их поверхностных плотностей, которые реализуются для каждой температуры и смещения при одинаковых длительностях процессов. Из рис. 1а (верхний ряд) видно, что для Т= 100°C миниму-
мы значений плотностей и максимумы высот выступов реализуются в интервалах длительностей осаждения углерода, которые находятся между 4 и 7 с. При длительностях осаждения больше 9 с высоты и плотности выступов достигают некоторых стационарных значений, близких к тем, что были до осаждения углерода.
Для Т= 200°С (рис. 1б, верхний ряд) при коротких временах осаждения (3—4 с) наблюдается с увеличением длительностей более быстрый, чем при Т = 100°С, рост высот выступов с последующим (при I = 5 с) резким уменьшением и одновременным, не менее резким увеличением плотностей выступов. Максимум плотностей и минимум высот выступов реализуются одновременно при длительностях осаждения 5—6 с. При больших длительностях осаждения плотности уменьшаются по степенному закону и при I больше 7 с стабилизируются на уровне, близком к плотности выступов на исходной кремниевой пластине. Хотя увеличение высот выступов с увеличением длительности осаждения при Т= 200°С происходит более интенсивно, чем при Т= 100°С, однако их максимальная величина не изменяется. В обоих случаях она не превышает 3.5 нм. Спад высот и их стабилизация при Т = 200°С начинаются при длительностях больше 4 с, что на 3 с раньше, чем при Т = 100°С.
Для Т= 300°С (рис. 1в, верхний ряд) характер кинетических зависимостей параметров нано-морфологии в целом сохраняется таким же, как и при более низких температурах. Наблюдается, также как и для Т = 200°С, смещение экстремумов плотностей и высот микровыступов на 1—2 с в сторону меньших длительностей осаждения, по сравнению с более низкой температурой подложек. Величины поверхностных плотностей и высот выступов в 1.5—2 раза меньше, чем при осаждении углеродного покрытия на более холодные подложки.
Для и = -200 В и Т = 100°С (рис. 1а, средний ряд) характерным является то, что плотности выступов имеют слабо выраженный минимум, по сравнению с и = -100 В, и практически при всех длительностях осаждения углеродной суб-монослойной пленки остаются на уровне исходной плотности выступов кремниевой пластины, а их высоты имеют максимум, который является более острым и большим по величине, чем для и = -100 В. Максимум высот выступов и минимум их плотностей реализуются одновременно, но при более коротких длительностях осаждения, чем при и = -100 В. При длительностях больше 6 с изменения высот и плотностей выступов с осажденным углеродным покрытием стабилизируются и практически повторяют рельеф исходной поверхности кремниевой пластины.
При и = -300 В и Т = 100°С (рис. 3а, нижний ряд) при коротких длительностях осаждения, по
¡3
а «
к
о чч о ччоччо чч ^ со со сч сч о о
г
ооочо^гсчооочо^гсчо 211111
О ЧЧ О ЧЧ О ЧЧ О ЧЧ С«ч' С«ч' {№{№ I—II—10 0
г
ооочо^гсчооочо^гсчо 211111
счооочо^гсчооочо^гсчо СЧ сч ^ ^ ^ ^ ^
ооочо^гсчооочо^гсчо 211111
ооочо^гсчооочо^гсчо 211111
ин 'г/
счооочо^гсчооочо^гсчо СЧ сч ^ ^ ^ ^ ^
ин 'г/
9
00 г^
чо
чч ^
сч
2
ооочо^тсчооочо^гсчо
П0Т х '0
ооочо^тсчооочо^гсчо 211111
счооочо^тсчооочо^гсчо СЧ СЧ
£1
ОТ х:
иэ 'с1
ОТ X;
иэ 'с1
к а
к «
к •
ьО о
до
<3 ^
К
о ^
^ 50
о ^ К • -
л ^
« . ( К о К о
О К
Н X
К № к
_ ч
л п
К С« И
О 8
&1
а £
Л *
Н КЗ О X
С"»
« II
£ 5
* 1!
о К
О ч
о
о
я о
я §
^ о
Рч
(а) (б) (в)
ЛО
__
■
100
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.