КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2004, том 49, № 2, с. 277-285
ПОВЕРХНОСТЬ, ТОНКИЕ ПЛЕНКИ
УДК 539.213.1:620.187.3
влияние трансляционной симметрии кристаллического кремния на структуру
w _ -t
аморфного германия в приграничной области1
© 2004 г. Н. И. Боргардт, Б. Пликат*, М. Зайбт*, В. Шретер*
Московский государственный институт электронной техники, Москва
E-mail:lemi@lemi.miee.ru *1V Физический институт Геттингенского университета, Германия Поступила в редакцию 29.04.2003 г.
Структура аморфного слоя германия вблизи границы с поверхностью (111) кремния исследована методами количественной высокоразрешающей электронной микроскопии. Установлено, что трансляционная симметрия кристалла кремния приводит к кристаллоподобному порядку в расположении атомов германия в приграничной области аморфного материала, протяженность которой составляет около 1.4 нм. В этой области средняя ориентация наклоненных относительно границы межатомных связей компенсирует различие в длине связей в кристаллическом кремнии и аморфном германии и обусловливает тетрагональные искажения в положении наиболее вероятных атомных позиций.
ВВЕДЕНИЕ
Закономерности атомарного строения аморфных материалов вблизи границы с кристаллом представляют интерес как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения. Это обусловлено важной ролью границ раздела в различных физических процессах, таких как кристаллизация аморфных материалов, аморфизация кристаллов при ионной имплантации [1], низкотемпературная молекулярно-лучевая эпитаксия [2]. Для фундаментальных исследований важным является вопрос о трансформации дальнего порядка кристалла в ближний порядок аморфного материала. В прикладных исследованиях ставится задача получения аморфных слоев, обладающих заданными свойствами. Ее решение, в частности, является важным для современной полупроводниковой технологии [3], где границы между кристаллическим кремнием и аморфным оксидом кремния играют принципиальную роль.
Атомарное строение границ между материалами может быть изучено методом высокоразрешающей электронной микроскопии на основе количественного сравнения экспериментальных и расчетных микрофотографий. Эффективность метода для анализа структуры границ раздела между кристаллами была продемонстрирована в [4-8]. Применение такого подхода для исследования аморфных материалов невозможно, поскольку в них точные позиции атомов неизвестны, а структурные свойства характеризуются радиаль-
1 Работа была представлена на Национальной конференции по росту кристаллов (НКРК-2002, Москва).
ной функцией распределения, обладающей сферической симметрией. В приграничной с кристаллом области использование этой функции становится неправомерным из-за нарушения сферической симметрии в атомном распределении. Это нарушение обусловлено тем, что атомы, занимающие позиции в узлах кристаллической решетки, оказывают ориентирующее влияние на возможные атомные позиции в аморфном материале.
Недавно в [9-11] был развит подход, основанный на усреднении высокоразрешающих изображений границ между кристаллом и аморфным слоем и позволяющий находить двумерную функцию распределения атомов аморфного материала в приграничной области. Эта функция представляет собой проекцию трехмерной атомной плотности вдоль направления распространения электронного луча.
В настоящей работе указанный подход используется для исследования атомарного строения аморфного германия вблизи границы с кристаллическим кремнием и выявления воздействия, оказываемого кристаллом на атомные позиции в аморфном материале.
МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ
Высокоразрешающие изображения и их усреднение. Влияние трансляционной симметрии кристалла на атомарную структуру аморфного слоя наиболее просто и однозначно может быть проанализировано в случае атомарно плоской границы между двумя материалами. Для формирования такой границы была взята пластина монокри-
Электронный луч
Рис. 1. Ориентация образца относительно электронного пучка.
сталлического кремния (111), имеющая
разориентацию менее 0.1° в направлении [ 112 ]. Следуя экспериментальной процедуре [12, 13], после снятия слоя термического оксида толщиной около 100 нм поверхность кремния сглаживалась травлением в 40%-ном растворе NH4F и отмывалась затем в деионизованной воде. Как было показано в [13] методом атомной силовой микроскопии, подобная обработка приводит к формированию гидрофобной поверхности с атомарно гладкими нереконструированными террасами шириной более 180 нм. На подготовленную таким образом подложку при комнатной температуре осаждался германий, испаряемый из тигля, нагреваемого электронным лучом. Скорость роста германиевого слоя составляла 30 нм/мин.
Образцы поперечного сечения с ориентацией поверхности перпендикулярно направлению
[ 110 ] для электронной микроскопии приготавливались механическим утонением и последующим травлением ионами аргона с энергией 3 кэВ и углом падения 10°. Исследования проводились на электронном микроскопе Philips CM200-UT-FEG при ускоряющем напряжении 200 кэВ. Разрешение микроскопа составляло 0.19 нм по точкам, а информационный предел был равен 0.11 нм. Ориентация образца относительно электронного пучка показана на рис. 1. Изображения формировались с применением объективной диафрагмы размером 27.5 мрад, включавшей отражения 111 и 200 кремния. Серия из 20 высокоразрешающих микрофотографий, полученных при различных значениях дефокусировки объективной линзы, записывалась системой GATAN SSC-CCD (Model 694). Дрейф образца во время записи серии корректировался с использованием кросскорреляци-онной функции, значение которой для каждой пары соседних микрофотографий вычислялось в аморфной области изображений.
Для получения информации о структуре материалов и их составе экспериментальные и расчетные высокоразрешающие электронно-микроско-
пические изображения должны сравниваться друг с другом. Такое сравнение является обычной процедурой при исследовании кристаллических образцов. Однако прямое использование этой процедуры для анализа структурных свойств аморфного слоя в приграничной с кристаллом области невозможно, так как позиции атомов в аморфном материале известны только с определенной вероятностью. Даже если вероятность распределения атомов известна, непосредственное сопоставление экспериментальных и расчетных изображений невозможно, поскольку аморфный слой с определенным ближним порядком может быть реализован огромным множеством конкретных атомных позиций.
При исследовании границ между кристаллом и аморфным слоем количественное сравнение эксперимента с результатами моделирования может быть проведено после усреднения высокоразрешающих изображений вдоль границы раздела [10, 11]. Такая процедура позволяет получить регулярное распределение интенсивности, обусловленное средним распределением спроецированных вдоль электронного луча атомных потенциалов. Усреднение может быть выполнено двумя способами.
В первом способе усреднения вычисляется среднее двумерное распределение интенсивности. Исходное изображение (рис. 2а) делится на N перпендикулярных границе полос шириной й, соответствующих периоду распределения интенсивности на изображении кристаллической области вдоль границы (ось 0у). Вычисление среднего значения интенсивности в эквивалентных точках полос позволяет получить распределение интенсивности I'(х, у) на усредненном изображении:
I (x, y) =
N
(N -1) /2
У I(x, y + nd),
-(N - 1)/2
(1)
где 1(х, у) - интенсивность на исходном высокоразрешающем изображении, sd(y) - функция щели, равная единице при -й/2 < у < й/2 и нулю при других значениях у. Результат усреднения изображения представлен в нижней части рис. 2а.
Во втором способе усреднения высокоразрешающих изображений находится средний профиль интенсивности I (х) в пределах области шириной А = Ш вдоль оси 0у:
А /2
I( x) = А J I( x, У).
(2)
-А/2
Использование профилей интенсивности оказывается удобным при визуальном сравнении результатов моделирования с экспериментом.
влияние трансляционной симметрии кристаллического кремния
279
(а)
(б)
Рис. 2. Высокоразрешающая микрофотография границы между кристаллом и аморфным слоем с иллюстрацией способа его усреднения (а) и усредненные экспериментальные изображения дефокусной серии (б). В нижней части (а) приведено усредненное изображение, пятикратно повторенное для лучшей визуализации. Стрелки 1 и 2 (а) показывают направления, вдоль которых вычислялся фурье-образ распределения интенсивности вдоль границы, а стрелками А и В (б) указывается интуитивное и вычисленное положение границы между кристаллом и аморфным слоем.
На основе выражений (1) и (2) усредненные изображения и профили интенсивности были получены для всех 20 микрофотографий дефокусной серии. Размер области усреднения составлял 15.6 нм и включал в себя N = 47 полос. Для доказательства равенства периодов распределений интенсивности в кристаллической и аморфной частях изображений были вычислены фурье-образы профилей интенсивности вдоль направлений, указанных стрелками 1 и 2 на рис. 2а. Сопоставление этих фурье-образов свидетельствовало о том, что изменение интенсивности вблизи границы в аморфной области микрофотографий происходит с периодом й.
Некоторые из усредненных изображений и профилей интенсивности дефокусной серии показаны на рис. 26 и 36. Величины дефокусировок и толщина образца (равная 13.8 нм) были определены на основе хорошо известной процедуры итерационной подгонки изображений [14]. Экспериментальные и расчетные распределения интенсивности количественно сравнивались друг с
другом в кристаллической части изображений для всех микрофотографий дефокусной серии при различных значениях дефокусировок и толщины до тех пор, пока лучший набор параметров не был найден.
Моделирование усредненных изображений. Моделирование высокоразрешающих электронно-микроскопических изображений может выполняться так называемым "слоевым методом". Его применение подразумевает задание атомных позиций в образце, разбиение его на тонкие слои, расположенные перпендикулярно электронному лучу, вычисление спроецированных потенциалов атомов для каждого из них. Тогда прохождени
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.