НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2007, том 43, № 4, с. 391-398
УДК 621:375592:546289
СТРУКТУРНОЕ СОВЕРШЕНСТВО ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ КРЕМНИЯ НА САПФИРЕ, ВЫРАЩЕННЫХ МЕТОДОМ СУБЛИМАЦИОННОЙ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ
© 2007 г. С. А. Денисов, С. П. Светлов, В. Ю. Чалков, В. Г. Шенгуров, Д. А. Павлов, Е. В. Коротков, Е. А. Питиримова, В. Н. Трушин
Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского государственного университета им. Н И. Лобачевского e-mail: chalkov@nifti.unn.ru Поступила в редакцию 21.07.2006 г.
Монокристаллические слои кремния с высоким структурным совершенством были выращены методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии. С использованием методов электронографии и рентгеновской дифракции установлено, что эпитаксиальный рост слоев кремния на сапфире
(1102) происходит при температуре подложки от 550 до 850°C. С уменьшением толщины слоев от 1.0 до 0.2 мкм их структурное совершенство ухудшается. При температуре роста 600°C плотность центров зарождения на начальной стадии составляла =5 х 109 см-2.
ВВЕДЕНИЕ
Ранее сообщалось о выращивании методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) эпитак-сиальных слоев кремния на сапфировых подложках с ориентацией (1102) при определенной подготовке подложек и соответствующих условиях роста [1, 2]. Установлено, что предэпитаксиаль-ный отжиг подложек in situ должен проводиться при ts = 1450°C в течение 30 мин, а температура роста составляла 670 [1] и 750°C [2]. В этих условиях при испарении кремния с помощью электронной пушки в вакууме =1 х 10-7 Па были выращены субмикронные слои кремния с ориентацией (100). Качество выращенных слоев оценивали по плотности в них микродвойников и дифференциальной доле микродвойников (ДДМ). Установлено, что максимальное значение ДДМ наблюдается на расстоянии около 20 нм от границы раздела пленка-подложка. Максимум дифференциального объема микродвойников в пленке, выращенной методом МЛЭ, на порядок величины ниже, чем, выращенной методом газофазной эпитаксии.
Зависимость реальной структуры эпитакси-альных слоев кремния на сапфире (КНС) от основных технологических параметров (качества подготовки поверхности подложек, температуры и скорости роста, давления и состава остаточных газов) является весьма важной характеристикой процесса эпитаксии. Эти сведения необходимы для решения вопроса о практическом использовании разрабатываемой технологии. Такие исследования необходимо проводить каждый раз при изменении условий эпитаксии.
Хотя методом МЛЭ были выращены слои КНС с хорошей кристалличностью, сведений о морфологии их поверхности недостаточно [1]. Мало внимания уделялось и исследованию начальных стадий роста методом МЛЭ слоев КНС. Сообщалось лишь, что указанный высокотемпературный отжиг подложки сапфира способствует значительному ускорению процесса коалесцен-ции и получению более гладких пленок кремния [3]. Коалесценция слоев кремния на сапфире проходила при толщинах =50 нм, а слои толщиной 200 нм имели гладкую поверхность. Хотя эти величины значительно меньше тех, что сообщались в более ранних работах, важно обеспечить гладкость слоев субмикронной толщины. Для этого необходимо более детально исследовать начальные стадии роста слоев КНС.
Целью данной работы являлось исследование структурного совершенства и морфологии слоев
КНС (1102) в зависимости от температуры отжига сапфира и температуры роста методом сублимационной МЛЭ, а также подробное изучение начальных стадий роста.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Использовали сапфировые подложки с ориентацией (1102) производства фирмы "Монокристалл" (г. Ставрополь). Подложки очищали с использованием ацетона и изопропилового спирта с последующим ополаскиванием в Н20. После отмывки пластины помещали в ростовую камеру установки МЛЭ. Конструкция установки описана
в [4]. Источником паров кремния и легирующей примеси служил прямоугольный брусок кремния размером 90 х 4 х 4 мм, который нагревали пропусканием тока до температуры 1380°C. Подложку размером 35 х 35 мм радиационно нагревали с использованием разработанного нами нагревателя [5] вначале до 1300-1450°C в течение 30 мин, а затем снижали температуру до 550-850°C, открывали заслонку и проводили выращивание слоев кремния со скоростью v = 1 мкм/час.
Микроструктурные свойства тонких слоев кремния исследовали методами электронографии, атом-но-силовой микроскопии (АСМ), рентгеновской дифракции. Электронограммы от исследуемых образцов снимали на отечественном электронографе ЭМР-102 при ускоряющем напряжении 50 кВ в режиме "на отражение". Морфологию поверхности слоев исследовали с использованием АСМ на приборе ТМХ-2100 Accurex. Дифракционные кривые снимали на двухкристальном рентгеновском спектрометре по схеме (n; -n) с использованием CuKa -излучения и монохроматора Ge511 (20511 = 90.05°).
Элементный анализ состава пленок проводили при помощи оже-спектроскопии с использованием интегрированного сверхвысоковакуумного комплекса Omicron® MultiProbe™ SO. Первичные электроны имели энергию 3 кэВ. Для получения информации о распределении элементов по глубине слоя Si применяли послойное стравливание потоком ионов Ar+ с использованием ионной пушки ISE-10 с ускоряющим напряжением до 5 кВ и током 10-30 мкА.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Изменения в структуре сапфира в процессе отжига. В качестве финишной операции подготовки поверхности сапфировых подложек для эпитакси-ального наращивания нами, как и американскими исследователями [1-3], использовался высокотемпературный отжиг в вакууме. В связи с применением специфической конструкции разработанной нами печи для нагрева сапфировых подложек возникла необходимость в уточнении параметров предварительного отжига. Особое внимание было уделено исследованию структурных и морфологических изменений приповерхностных слоев. О влиянии отжига на структуру и морфологию поверхности подложек судили после выноса их на воздух. Температуру отжига варьировали от 1200 до 1450°C.
На рис. 1 приведены электронограммы от поверхности подложек, отожженных при 1350 и 1450°C в течение 30 мин, на которых наблюдались только кикучи-линии и кикучи-полосы.
Поверхности подложек после отжига оставались зеркальными, однако методом АСМ на них были выявлены определенные изменения.
Зависимость влияния отжига сапфира на структуру эпитаксиальных слоев кремния в интегральной форме отражает степень подготовленности поверхности подложки для наращивания монокристаллических слоев и поэтому является наиболее строгим критерием оценки пригодности выбранной методики подготовки. Температура роста составляла 700°C. Как будет показано ниже, при данной температуре на хорошо подготовленных подложках растут структурно-совершенные эпитаксиальные слои.
В результате исследования установлено, что температура термообработки подложек в пределах от 1300 до 1450°C не влияет на структурное совершенство выращенных слоев: величина ширины кривой качания на половине максимума интенсивности рентгеновского излучения составляла <24' и не зависела от продолжительности отжига.
При отжиге происходит рекристаллизация (реконструкция) тонкого слоя сапфира, механически поврежденного в процессе полировки подложки. Высокие температуры необходимы и для удаления с поверхности загрязнений, таких как углерод. Создание ступеней на поверхности сапфира в процессе отжига также является возможной причиной улучшения протекания процесса эпитакси-ального наращивания. С помощью АСМ не удалось выявить ступени роста на поверхности сапфира после отжига, однако при исследовании этим методом тонкого слоя кремния, выращенного на сапфире, прошедшем предэпитаксиальный высокотемпературный (1450°C) отжиг, удается наблюдать ориентированные в определенном направлении островки кремния прямоугольной формы (см. ниже). При меньших температурах отжига подложек такого строго ориентированного роста островков не наблюдалось.
Таким образом, выбранный нами режим отжига подложек сапфира в условиях, когда термическое испарение является единственным средством финишной подготовки для эпитаксиального наращивания, в принципе близок к оптимальному.
Влияние температуры роста на структуру слоев кремния. При изучении этого вопроса, как правило, определяют минимальную температуру эпитаксии и температуру роста совершенных по структуре слоев. При исследовании зависимости структурного совершенства слоев кремния на сапфировой подложке от ее температуры использовали методы электроно- и рентгенографии.
Была проведена серия опытов по осаждению слоев кремния толщиной 0.5 мкм в интервале температур подложки 550-850°C. По электроно-графическим данным все слои, выращенные в этом интервале температур, были монокристаллическими. На электронограммах присутствовали только кикучи-линии и кикучи-полосы. Хотя
Рис. 1. Электронограммы от поверхности сапфировой подложки, отожженной при 1350°С (а), 1400°С (б) и от слоя
кремния (в).
на снимках слоев, выращенных при 550°С, резкость кикучи-картин невысока, дифракционные кольца, которые указывали бы на зарождение участков с поликристаллической структурой, не обнаружены. С повышением температуры роста резкость кикучи-картин увеличивалась, что свидетельствовало об улучшении структуры слоев кремния.
Данные по исследованию КНС-структур методом рентгенографии (рис. 2) свидетельствуют о том, что наиболее структурно-совершенные слои кремния растут в интервале температур 700-750°С. Величина Дю1/2 в этих структурах составляет 16' (рис. 2). При снижении температуры роста наблюдается увеличение этого параметра. Ухудшение структурного совершенства наблюдается и в слоях, выращенных при более высоких температурах. Отметим, что такой же немонотонный характер зависимости Дю1/2 от ts наблюдался и для
600 650 700 750 800 850
°с
Рис. 2. Температурная зависимость структурного совершенства слоев кремния на сапфире (толщина пленок 0.5 мкм).
Аю 1/2, мин
28 -Т
24 - \
20 - ^
16 -
12 _
0.6
0.8 1.0
d, мкм
Рис. 3. Зависимость структурного совершенства от толщины слоя кремния (температура роста 700°С).
. 0.11 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 т, с
Рис. 4. Зависимости среднего размера островков кремния в слое
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.