МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2013, том 42, № 5, с. 341-347
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 537.331.33
ВЛИЯНИЕ СВЧ ПЛАЗМЕННОЙ МИКРООБРАБОТКИ В УСЛОВИЯХ СЛАБОЙ АДСОРБЦИИ НА НАНОМОРФОЛОГИЮ ПОВЕРХНОСТИ
КРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ (100) © 2013 г. В. Я. Шаныгин, Р. К. Яфаров
Саратовский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской АН E-mail: pirpc@yandex.ru Поступило в редакцию 15.06.2012 г.
Исследованы закономерности влияния режимов высокоионизованной плазмы электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) СВЧ газового разряда низкого давления на наноморфологию поверхности монокристаллов кремния кристаллографической ориентации (100) с естественным оксидным покрытием. Рассмотрены основные характеристические параметры наноморфологии поверхности и модельные механизмы процессов, обеспечивающих ее модификацию в результате низкоэнергетичной СВЧ плазменной обработки в условиях слабой адсорбции с использованием фторсодержащего химически активного газа.
Б01: 10.7868/80544126913050074
ВВЕДЕНИЕ
Актуальной задачей современного полупроводникового материаловедения является получение атомно-чистых поверхностей кристаллов — подложек с высоким качеством границы раздела и заданной наноморфологией. Это связано с высокой чувствительностью электронных свойств поверхности к дефектам и неоднородностям структуры, а также возможностью использования атомной структуры чистых поверхностей для получения равновесных массивов трехмерных островков нанометровых размеров инородных материалов со сверхвысокой поверхностной плотностью с последующим их использованием в качестве самоорганизованных масочных покрытий для высокоразрещающего травления. При этом большое значение имеет выбор кристаллографической ориентации, который предопределен особенностями строения решетки полупроводникового материала. Особенности строения решетки и наноморфологии поверхности монокристаллов являются важнейшими факторами, которые, наряду с современными методами плаз-мохимической микрообработки, позволяющими модифицировать наноморфологию поверхности кристаллов, могут обеспечить управление процессами зарождения и роста низкоразмерных эпитаксиальных структур, плотностью стоков для адатомов. Таким образом, использование свойств наноморфологии атомно--чистых поверхностей кристаллов различных кристаллографических
ориентаций открывает возможности для создания принципиально новых двух- и трехмерных квантово-размерных систем, примерами которых являются самоорганизующиеся ансамбли углеродных квантовых точек, нитей, латеральных поверхностных сверхрешеток, низкоразмерных пространственно-упорядоченных кремний-угле -родных наноструктур [1—3].
Одним из наиболее востребованных материалов современной микро- и наноэлектроники остается монокристаллический кремний. Так, в последнее время, благодаря созданию квантово-размерных структур на кремнии преодолена трудность его использования в фотоэлектронике из-за низкой вероятности излучательной рекомбинации, обусловленной запретом на прямые переходы носителей в процессе рекомбинации, и, тем самым, получен новый импульс его широкого применения в названных областях науки и техники [3].
В связи с изложенным, целью работы являлось исследование влияния плазмы СВЧ газового разряда низкого давления на наноморфологические характеристики поверхности монокристаллов кремния ориентации (100) с естественным оксидным покрытием.
МЕТОДИКИ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Эксперименты проводились в вакуумной установке с использованием СВЧ ионно-плазменно-
(а) р,1010 см-2 (б)
Рис. 1. АСМ изображение поверхности кремния (100) после СВЧ ПХТ в среде CF4 в течение 2 мин при напряжении смещения —200 В (а) и типовые распределения поверхностных плотностей разновысотных микровыступов на кристаллах кремния Si (100) до (4) и после СВЧ ПХТ в CF4 в течение 2 мин при различных смещениях на подложкодер-жателе (б): 1 — U = —100 В; 2 — U = —200 В; 3 — U = —300 В (пунктиром изображена функции распределения Гаусса с экспериментальными значениями параметров для кривой 4).
го источника, описанного в работе [4]. В качестве рабочего газа использовался хладон-14. Величины ускоряющих напряжений на подложкодержа-теле в процессах плазменной обработки изменялись в интервале от —100 до —300 В, мощность СВЧ излучения и индукция магнитного поля, соответствующая возникновению в зоне газового разряда ЭЦР составляли, соответственно, 250 Вт и 875 Гс. Давление рабочего газа при обработке было равным 0.1 Па и обеспечивало выполнение условий ЭЦР, при котором степень ионизации плазмы составляла около 5% [5].
В экспериментах использовались пластины с естественным оксидным покрытием монокристаллического кремния Si (100) ^-типа с удельным сопротивлением 0.01—0.02 Ом см. Наноморфология поверхностей пластин изучалась с помощью сканирующего атомно-силового микроскопа (АСМ) Solver-Р-47. В качестве зонда использовались стандартные кремниевые кантилеверы CSG10 пирамидальной формы с радиусом закругления 10 нм и жесткостью 0.1 Н/м. Поле сканирования составляло 6 х 6 мкм. Обработка результатов измерений производилась с использованием программного обеспечения этого микроскопа.
На рис. 1 приведены в качестве иллюстрации изображение поверхности кремния (100), полученное с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) после СВЧ плазмохимического травления (ПХТ) в среде CF4 в течение 2 мин при напряжении смещения на подложкодержателе —200 В, а также распределения поверхностных плотностей разно-высотных микровыступов на кристаллах Si (100) до и после СВЧ ПХТ при различных смещениях на подложкодержателе. Из рис. 1б можно видеть,
что плотности распределения концентраций выступов по высоте p(h), как до, так и после плазменной микрообработки, имеют вид симметричных функций распределения Гаусса и могут быть представлены выражением:
p(h) = р(hmax) exp [-(h - hmax)2/(2 Ahl)], (1)
где p(hmax) — максимальная концентрация (поверхностная плотность) выступов на данной пластине, Ah0 — среднеквадратичное отклонение, или рассеяние распределения. Построение, в качестве примера, функции распределения Гаусса поверхностных плотностей выступов по высоте на поверхности кремния (100) до плазменной обработки с использованием экспериментальных значений параметров p(hmax) и hmax, приведенных на рис. 1б и Ah0, определенным программным обеспечением микроскопа и равным 0.07 нм (пунктирная кривая), показывает хорошее совпадение с экспериментальной кривой 4. Согласно приведенным экспериментальным зависимостям, на стандартной (не обработанной в плазме) поверхности кремния (100) максимальную поверхностную (pmax) плотность около 3 х 1010 см-2 имеют микровыступы высотой (hmax) около 0.6 нм при разбросе высот (Ah) на уровне 0.1 pmax от 0.42 до 0.72 нм, что составляет 0.3 нм, а СВЧ плазменная обработка существенно изменяет эти нано-морфологические характеристики. Так, например, плазменные обработки с использованием различных режимов приводят к уменьшению, по сравнению с исходной пластиной (кривая 4), высот выступов, имеющих максимальную поверхностную плотность (hmax), а также могут суще-
ВЛИЯНИЕ СВЧ ПЛАЗМЕННОЙ микрообработки
343
5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0
100 150
200 и
250 300
100
150
200 и
250 300
0
100 150
200 и
250 300
Рис. 2. Зависимости максимальных поверхностных плотностей микровыступов ртах (а), высот микровыступов с ртах (Атах) (б) и интервалов их разброса (в) на уровне 0.1 ртах от длительности СВЧ ПХТ кремния (100) при различных смещениях на подложкодержателе: 1 — и = —100 В; 2 — и = —200 В; 3 — и = —300 В.
5
4 4
%
3
э 1 2
1 1
6
?, мин
0.1
0
10
2
6
?, мин
0.1
0
10
2
(в)
6
?, мин
10
Рис. 3. Зависимости от смещения на подложкодержателе при различных длительностях СВЧ ПХТ кремния (100) максимальных поверхностных плотностей выступов ртах (а), высот микровыступов с ртах (Атах) (б), а также их интервалов разброса (АЛ) на уровне 0.1 ртах (в): 1 — 2 мин; 2 — 5 мин; 3 — 10 мин.
2
3
0
2
4
8
4
8
4
8
ственно изменить величину их поверхностной плотности (кривая 2). Оценки, сделанные из этих измерений, свидетельствуют, что при поверхностной плотности выступов-острий на кристаллах кремния (100) порядка 1011 см-2 и радиусе закругления кончика кантилевера около 10 нм расстояние между остриями на глубине погружения кантилевера может составлять менее 10 нм. Радиус же закругления таких острий может составлять порядка одного—двух параметров кристаллической решетки.
На рис. 2 приведены экспериментальные зависимости максимальных поверхностных плотностей микровыступов ртах, высот микровыступов с ртах, а также интервалов их разброса (ДА) на уровне 0.1 ртах от длительности СВЧ ПХТ кремния (100) в CF4 при различных смещениях на подлож-кодержателе. Можно видеть, что с увеличением длительности обработки ртах уменьшаются, Атах имеют тенденцию к увеличению, темп которого зависит от приложенного смещения, а разбросы (рассеяние) высот выступов на уровне 0.1 ртах
остаются практически неизменными. Наибольшие значения для ртах реализуются при наименьшей длительности процесса равной 2 мин, а для
к
напротив, при наибольшей длительности
процесса равной 10 мин.
Из рис. 3, на котором приведены зависимости от смещения на подложкодержателе при различных длительностях СВЧ ПХТ кремния (100) максимальных поверхностных плотностей и высот микровыступов с ртах, а также их интервалов разброса на уровне 0.1 ртах, можно видеть, что для всех длительностей обработок ртах и Атах имеют максимумы при смещении —200 В, а разбросы высот выступов от смещений практически не зависит.
Построение зависимостей шероховатостей на-номорфологий кремниевых пластин (100), представляющих собой среднеквадратичные отклонения, от длительности СВЧ ПХТ и смещений, полученных обработкой результатов измерений программным обеспечением АСМ 8о1уег-Р-47 показало, что их характер изменений практиче-
(а)
2 х 1
(б) 1 х 1
Рис. 4. Схематическое изображение мест адсорбции кислорода 0 на поверхностях 81(100): (а) после димерной реконструкции 81(100)2 х 1; (б) идеальной нереконструированной 81(100)1 х 1 (ф — угол химической связи, ф1 > Ф2).
ски в
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.